Chu Trình Nạp Xả Trong động Cơ đốt Trong - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (21 trang)

Trang chủ

Giáo án - Bài giảng

Cao đẳng - Đại học

Chu trình nạp xả trong động cơ đốt trong

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (256.53 KB, 21 trang )

Chơng 4 qúa trình nạp - xả 4.1. các thông số đặc trng của quá trình nạp-xả H. 4-1. Một số thông số đặc trng của quá trình nạp-xả a) Sơ đồ hệ thống nạp-xả, b) Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ không tăng áp, c) Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ tăng áp K- ống góp khí nạp, X - ống góp khí thải. T- turbine khí thải, N- máy nén khí tăng áp, LM - thiết bị làm mát khí tăng áp. p0, T0 - áp suất và nhiệt độ khí quyển , ps , Ts - áp suất và nhiệt độ của khí nạp sau máy nén, pk , Tk - áp suất và nhiệt độ khí mới, px , Tx - áp suất và nhiệt độ khí thải, pa - áp suất cuối quá trình nạp, pr - áp suất khí sót. b)a)abrrabp x , Txp k , TkXKp s , Tsp 0 , T0p 0 , T0LMNTprpaĐCTpVĐCTpopkpaprpoĐCT VpĐCTc) PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 108 Nh chúng ta đã biết, hoạt động của ĐCĐT có tính chu kỳ, tức là có các chu trình công tác kế tiếp nhau. Để thực hiện đợc chu trình công tác tiếp theo, phải xả hết khí thải ra khỏi không gian công tác của xylanh rồi nạp vào đó khí mới. Quá trình nạp khí mới và xả khí thải có liên quan mật thiết với nhau và đợc gọi chung là quá trình nạp-xả hoặc quá trình thay đổi khí hoặc quá trình trao đổi khí. Do sự thay đổi tiết diện lu thông và vận tốc của piston cũng nh ảnh hởng của hàng loạt hiện tợng khí động khác nên áp suất của MCCT trong xylanh trong quá trình nạp-xả biến đổi rất phức tạp. H. 4.2 giới thiệu một ví dụ về đồ thị công thu đợc khi dùng thiết bị ghi áp suất có độ nhạy cao. Tuy nhiên, sự dao động của áp suất của MCCT trong quá trình nạp-xả có ảnh hởng không đáng kể đến tổng diện tích đồ thị công nên khi tính và vẽ chu trình, ngời ta thờng qui ớc áp suất của MCCT trong thời gian diễn ra quá trình xả và nạp là không đổi (H. 4-1b và H. 4-1c). b)a)VĐCTpopĐCTĐCT Vppo H. 4-2. áp suất của MCCT trong quá trình nạp-xả đợc đo bằng thiết bị có độ nhạy cao 1) áp suất khí nạp (pk ) áp suất khí nạp (pk) là áp suất đợc xác định tại không gian chứa khí nạp trớc khi vào không gian công tác của xylanh (trớc xupáp nạp đối với động cơ 4 kỳ hoặc trớc cửa nạp đối với động cơ 2 kỳ). pk = p0 - p0 - Động cơ 4 kỳ không tăng áp pk = ps - pm - Động cơ 4 kỳ tăng áp và 2 kỳ trong đó : p0 - áp suất khí quyển, ps - áp suất sau máy nén khí nạp, p0 - tổn thất áp suất do lực cản của lọc khí và đờng ống nạp, pm - tổn thất áp suất do lực cản của thiết bị làm mát khí tăng áp. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 109 Trị số của p0 phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo, chất lợng chế tạo, tình trạng kỹ thuật của lọc khí và đờng ống nạp. Trị số của pm phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm cấu tạo của thiết bị làm mát. áp suất ps đợc quyết định bởi phơng pháp tăng áp và mức độ cờng hoá động cơ. Bảng 4-1. áp suất khí nạp ở ĐCĐT áp suất khí nạp (pk) Loại động cơ Tăng áp truyền động cơ khí Tăng áp bằng turbine khí thảiĐộng cơ thấp tốc, công suất lớn (1,1 ữ 1,2) p0 (1,3 ữ 1,7) p0 Động cơ có công suất và tốc độ trung bình (1,2 ữ 1,4) p0 (1,5 ữ 3,0) p0 Động cơ ôtô, máy kéo (1,2 ữ 1,5) p0 (1,5 ữ 1,7) p0 Động cơ cờng hoá cao 5,0 p0 2) Nhiệt độ khí nạp (Tk ) Nhiệt độ khí nạp (Tk) là nhiệt độ đợc xác định tại không gian chứa khí nạp trớc khi vào không gian công tác của xyalanh. mmmskTppTT =100 (4.1) trong đó : po , T0 - áp suất và nhiệt độ khí quyển, ps - áp suất khí nạp sau máy nén, m - chỉ số nén đa biến, Tm - mức độ làm mát khí tăng áp. Chỉ số nén đa biến trong máy nén tăng áp (m) phụ thuộc vào loại máy nén. Mức hạ nhiệt độ khi qua thiết bị làm mát khí tăng áp (Tm) phụ thuộc vào mức độ tăng áp, thiết bị và phơng pháp làm mát khí tăng áp. Tm = 25 0 ữ 50 0 m = 1,45 ữ 1,60 - Máy nén piston m = 1,65 ữ 1,80 - Máy nén roto m = 1,45 ữ 1,80 - Máy nén ly tâm PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 110 3) áp suất cuối quá trình nạp (pa ) áp suất cuối quá trình nạp (pa) là một trong những thông số liên quan trực tiếp đến lợng khí mới đợc nạp vào không gian công tác của xylanh trong mỗi chu trình, từ đó quyết định công suất mà động cơ có thể phát ra. Để hiểu rõ hơn ảnh hởng của các yếu tố khác nhau đến pa , chúng ta viết phơng trình Bernoullie cho dòng khí nạp tại các vị trí trớc và sau cửa nạp nh sau : annnnaakkkkHgwwpwHgp+++=++2222222 (4.2) trong đó : pk , pa - áp suất của khí nạp trớc cửa nạp và áp suất trong xylanh, Hk , Ha - độ cao của cửa nạp và độ cao của không gian công tác tại vị trí đang xét , a - mật độ của khí nạp trong xylanh, wk - vận tốc của khí nạp trớc cửa nạp, wn - vận tốc trung bình của khí nạp tại cửa nạp, n - hệ số tính đến ảnh hởng của tiết diện lu thông của cửa nạp, n - hệ số cản của đờng ống nạp. Có thể xem Hk Ha , k a và wk << wn , từ biểu thức (4.2) ta có : ()222nknnakawppp +== (4.3) Từ phơng trình liên tục của dòng khí nạp ta có : nPnPmnAAnSAACw ==30 (4.4) trong đó : Cm - vận tốc trung bình của piston, [m/s] Ap - tiết điện đỉnh piston, [m 2] An - tiết diện lu thông của cửa nạp, [m 2] S - hành trình của piston, [m] n - tốc độ quay của động cơ, [rpm] Kết hợp (4.3) và (4.4) ta có : ()222222302nnnpknnaAnKAnASp =+= (4.5) PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 111 Từ biểu thức (4.5) ta thấy, để giảm tổn thất áp suất trên đờng ống nạp, qua đó tăng áp suất của khí nạp trong không gian công tác của xylanh, có thể áp dụng các biện pháp sau : - Giảm sức cản của hệ thống nạp bằng cách tạo đờng ống nạp có tiết diện lu thông lớn và hình dạng khí động tốt. - Tăng đờng kính của xupap nạp hoặc dùng nhiều xupap. Trị số của áp suất cuối quá trình nạp nằm trong phạm vi nh sau [1] : pa = (0,80 ữ 0,90) pk - Động cơ 4 kỳ không tăng áp pa = (0,90 ữ 0,96) pk - Động cơ 4 kỳ tăng áp pa = (0,85 ữ 1,05) pk - Động cơ 2 kỳ 4) áp suất (pr ) và nhiệt độ khí sót (Tr ) áp suất khí sót (pr) và Nhiệt độ khí sót (Tr) là áp suất và nhiệt độ của khí sót trong không gian công tác của xylanh tại thời điểm cuối quá trình xả. áp suất khí sót lớn hơn áp suất trong đờng ống xả do sức cản khí động của cửa xả, ống xả, bình tiêu âm và thiết bị tận dụng nhiệt khí thải (nếu có). Tơng tự nh đối với áp suất cuối quá trình nạp (pa), áp suất khí sót (pr) có thể đợc thể hiện nh sau : 22xxxrxrAnKpppp +=+= (4.6) trong đó : px - áp suất trong đờng ống xả, px - kháng áp trong hệ thống xả, n - tốc độ quay của động cơ, Ax - tiết diện lu thông của cửa xả, Kx - hệ số. Nhiệt độ khí sót (Tr) phụ thuộc chủ yếu vào hệ số d lợng không khí, tỷ số nén và cờng độ trao đổi nhiệt giữa MCCT với vách xylanh trong quá trình dãn nở và xả. Trị số của pr và Tr nằm trong phạm vi sau : pr = (1,03 ữ 1,06) p0 - Động cơ thấp tốc pr = (1,05 ữ 1,10) p0 - Động cơ cao tốc pr = 700 ữ 900 K - Động cơ diesel Tr = 900 ữ 1000 K - Động cơ xăng Tr = 750 ữ 1000 K - Động cơ chạy bằng nhiên liệu khí. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 112 5) Nhiệt độ cuối quá trình nạp (Ta ) MCCT cuối quá trình nạp bao gồm khí mới và khí sót. Nhiệt độ của MCCT cuối quá trình nạp (Ta) lớn hơn nhiệt độ của khí nạp (Tk) do nhận nhiệt từ các bề mặt nóng (vách ống nạp, bề mặt xupap nạp, vách xylanh) và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ cao hơn. Có thể xác định Ta từ phơng trình cân bằng nhiệt của khí mới và khí sót tại những thời điểm trớc và sau khi hoà trộn, với giả định rằng quá trình hoà trộn diễn ra trong điều kiện pa = const và nhiệt độ khí sót (Tr) không đổi khi khí sót dãn nở từ áp suất pr xuống pa , nh sau : ()()aprrprkkpTcmmTcmTTcm +=++'1''1 (4.7) trong đó : cP - tỷ nhiệt đẳng áp của khí mới, c''P - tỷ nhiệt đẳng áp của khí sót, c'P - tỷ nhiệt đẳng áp của hỗn hợp khí công tác cuối quá trình nạp, Tk - mức độ sấy nóng khí mới, [K] Mức độ sấy nóng khí mới (Tk) phụ thuộc vào nhiệt độ của các bề mặt tiếp xúc, vận tốc của dòng khí nạp, thời gian diễn ra quá trình nạp, v.v. Tk ở động cơ xăng thờng thấp hơn ở động cơ diesel do một phần nhiệt truyền từ bề mặt nóng đợc sử dụng để hoá hơi các hạt xăng trong quá trình nạp. Trị số của cP , c''P và c'P phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của khí mới, khí sót và hỗn hợp khí mới-khí sót. Nhiệt độ và thành phần của khí mới và hỗn hợp khí mới - khí sót khác nhau không nhiều nên có thể xem cP = c'P ; còn c''P = 1. cP , trong đó 1 là hệ số hiệu đính tỷ nhiệt. 1 phụ thuộc vào hệ số d lợng không khí () và nhiệt độ khí sót (Tr). Chia cả 2 vế phơng trình (4.7) cho m 1 và thay C'p = Cp , C''p = 1. Cp, m1/mr = r , sau khi biến đổi ta có : rrrkkaTTTT+++=11 (4.8) Trị số của Tk , 1 và Ta nằm trong phạm vi sau : Tk = 20 ữ 40 0C - Động cơ diesel Tk = 0 ữ 20 0C - Động cơ xăng 1 = 1,5 ữ 1,8 - Động cơ diesel 1 = 1,11 ữ 1,17 - Động cơ xăng Ta = 310 ữ 350 K - Động cơ 4 kỳ không tăng áp Ta = 320 ữ 400 K - Động cơ 4 kỳ tăng áp và 2 kỳ. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 113 6) Hệ số khí sót ( r ) Hệ số khí sót (r) là đại lợng đợc xác định bằng tỷ số giữa lợng khí sót (m r) và lợng khí mới đợc nạp vào không gian công tác của xylanh (m 1) : 1mmrr= (4.9) Hệ số khí sót là đại lợng đánh giá lợng khí thải còn sót lại trong không gian công tác sau mỗi chu trình, tức là đánh giá chất lợng quá trình xả. Hệ số khí sót phụ thuộc chủ yếu vào phơng pháp nạp-xả và có trị số nằm trong phạm vi sau [2] : r = 0,01 ữ 0,03 - Động cơ 4 kỳ r = 0,03 ữ 0,06 - Động cơ 2 kỳ quét thẳng r = 0,06 ữ 0,20 - Động cơ 2 kỳ quét vòng có máy nén riêng r = 0,25 ữ 0,40 - Động cơ 2 kỳ dùng hộp cacte làm máy nén. 7) Hệ số nạp (v ) Hệ số nạp (v) đợc xác định bằng tỷ số giữa lợng khí mới thực tế đợc nạp vào xylanh trong một chu trình (m1) và lợng khí mới so sánh chứa đầy dung tích công tác của xylanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trớc cửa nạp (m s) : svmm1= (4.10) Lợng khí mới so sánh (m s) có thể xác định đợc theo phơng trình trạng thái tại cửa nạp : kksksTRVpm= (4.11) Lợng khí mới thực tế m 1 bao gồm : - Lợng khí mới có trong xylanh tại thời điểm cuối hành trình nạp (m' a), - Lợng khí mới đợc nạp thêm . Lợng hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối hành trình nạp (m a) bằng tổng lợng khí mới cuối hành trình nạp (m' a) và với lợng khí sót (m r). Phơng trình trạng thái tại thời điểm cuối hành trình nạp có dạng nh sau : aaaaraaTRVpmmm=+=' (4.12) Lợng hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối quá trình nạp (m a1) bằng tổng lợng khí mới (m 1) và lợng khí sót (m r) : m a1 = m 1 + m r = m 1(1 + r) (4.13a) PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 114 Nếu dùng Hệ số nạp thêm (2) để đánh giá mức độ nạp thêm, có thể viết biểu thức (4.13a) dới dạng khác nh sau : m a1 = m 1(1 + r) = 2 . m a (4.13b) 2 có trị số khoảng 1,02 ữ 1,07, tuỳ thuộc vào phơng pháp nạp và góc độ phối khí. Từ các biểu thức (4.13b) và (4.12) ta có : aaaarraTRVpmm+=+=111221 (4.14) Thế m s từ (4.11) và m1 từ (4.14) vào (4.10), đồng thời thay xem Ra = Rk và thay 11=+=+=ssscsaVVVVVV, sau khi rút gọn ta có : akkarvTTpp+=1112 (4.15) Trị số của v nằm trong phạm vi sau [2] : v = 0,65 ữ 0,80 - Động cơ xăng 4 kỳ v = 0,75 ữ 0,90 - Động cơ diesel 4 kỳ v = 0,40 ữ 0,80 - Động cơ 2 kỳ. 8) Hệ số quét (q ) Trong một số trờng hợp, đặc biệt đối với động cơ 2 kỳ và động cơ tăng áp, một lợng nhất định khí mới đợc chủ động cho thoát ra khỏi không gian công tác của xylanh qua xupap xả hoặc cửa xả cùng với khí thải nhằm mục đích giảm lợng khí sót và làm mát buồng đốt,. Để đánh giá lợng khí mới nói trên, ngời ta dùng đại lợng gọi là Hệ số quét (q) : 1MMqq= (4.16) trong đó Mq là lợng khí mới đi qua cửa nạp hoặc xupap nạp vào không gian công tác của xylanh. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 115 4.2. quá trình nạp - xả ở động cơ 4 kỳ 4.2.1. diễn biến v các thông số đặc trng H. 4-3. Đồ thị biểu diễn quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ a) Sự thay đổi tiết diện lu thông của xupap xả (Ax) và xupap nạp (An) b) Đồ thị công ; c) Đồ thị góc Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ kéo dài từ thời điểm xupap xả bắt đầu mở đến thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn. Căn cứ vào đặc điểm làm việc của cơ cấu nạp-xả, có thể chia quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ thành 5 giai đoạn : xả tự do, xả cỡng bức, quét buồng đốt, nạp chính và nạp thêm. 1) Xả tự do Giai đoạn Xả tự do (còn gọi là giai đoạn Xả sớm) kéo dài từ thời điểm xupap xả bắt đầu mở (điểm b1- H. 4.3) đến thời điểm piston tới ĐCD trong hành trình dãn nở. Góc quay của trục khuỷu tính từ điểm xupap xả bắt đầu mở đến ĐCD trong hành trình dãn nở đợc gọi là Góc xả sớm (xs). Trong giai đoạn xả tự do, MCCT trong không gian công tác của xylanh tự thoát ra ngoài qua xupap xả. ở những thời điểm đầu của giai đoạn xả tự do, khí thải lu động với tốc độ truyền âm do chênh lệch khá lớn giữa áp suất trong và Ana1r1d1b1ĐCDĐCD ĐCTa)Axnmxsxmnsa1b1br1d1pob1XảNạpr1d1a1ĐCTĐCDrĐCT ĐCDVpab)c) PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 116 ngoài xylanh. Chính do chênh lệch khá lớn về áp suất nên chỉ trong một thời gian ngắn của giai đoạn xả tự do đã có khoảng 60 ữ70 % tổng lợng khí thải tự thoát ra ngoài. 2) Xả cỡng bức Giai đoạn Xả cỡng bức kéo dài từ thời điểm piston rời ĐCD trong hành trình xả đến thời điểm xupap nạp bắt đầu mở (điểm d1). Góc quay trục khuỷu tính từ điểm xupap nạp bắt đầu mở đến ĐCT trong hành trình xả đợc gọi là Góc nạp sớm (ns). Trong giai đoạn này khí thải đợc piston đẩy ra khỏi không gian công tác qua xupap xả. 3) Quét buồng đốt Giai đoạn Quét buồng đốt kéo dài từ thời điểm xupap nạp bắt đầu mở đến thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn (điểm r1). Góc quay trục khuỷu tính từ ĐCT đến điểm xupap xả đóng hoàn toàn đợc gọi là Góc xả muộn (xm). Trong giai đoạn quét buồng đốt, cả xupap nạp và xupap xả đều mở và có thể có một lợng khí mới cùng khí thải thoát ra khỏi không gian công tác qua xupap xả. 4) Nạp chính Giai đoạn Nạp chính kéo dài từ thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn đến thời điểm piston tới ĐCD trong hành trình nạp. Phần lớn lợng khí mới đợc nạp vào không gian công tác của xylanh trong giai đoạn nạp chính. 5) Nạp thêm Giai đoạn Nạp thêm kéo dài từ thời điểm piston rời ĐCD trong hành trình nén đến thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn (điểm a1). Góc quay trục khuỷu ứng với giai đoạn nạp thêm đợc gọi là Góc nạp muộn (nm). Trong giai đoạn nạp thêm sẽ có một lợng nhất định khí mới đợc bổ sung vào không gian công tác của xylanh. Từ những điều trình bày ở trên, có thể rút ra một số nhận xét sau : Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ đợc điều khiển bằng cơ cấu nạp-xả kiểu xupap. Thời điểm bắt đầu mở và đóng hoàn toàn của các xupap có thể không trùng với ĐCT hoặc ĐCD. Khí thải đợc piston "đẩy" ra khỏi không gian công tác của xylanh qua xupap xả, còn khí mới đợc piston "hút" vào không gian công tác qua xupap nạp. Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ diễn ra trong khoảng thời gian lớn hơn 360 0 góc quay trục khuỷu. Trong khoảng thời gian trên, chỉ có một giai đoạn ngắn, trong đó cả xupap nạp và xả cùng mở. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 117 4.2.2. ảnh hởng của góc phối khí đến chất lợng quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ Các góc xả sớm (xs), xả muộn (xm), nạp sớm (ns) và nạp muộn (nm) đợc gọi là các Góc phối khí. Các vị trí của trục khuỷu tơng ứng với các thời điểm bắt đầu mở và đóng hoàn toàn các xupap (các điểm b1, d1, r1 và a1) đợc gọi là các Thời điểm phối khí. e)d)c)b)a)rbbsbbmrrsasaa1a1sd1poĐCT Vpd1mpVĐCDpor1spVĐCTpor1b1mpVĐCDpob1b1poĐCD Vpb1sH. 4-4. ảnh hởng của góc phối khí đến quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 118 1) Góc xả sớm Xupap xả đợc mở trớc khi piston tới ĐCD trong hành trình dãn nở nhằm mục đích để một lợng đáng kể khí thải tự thoát ra khỏi không gian công tác của xylanh, qua đó giảm đợc công tiêu hao cho việc đẩy khí thải trong hành trình xả và giảm lợng khí sót. Giả sử b1 là thời điểm bắt đầu mở xupap xả tối u và đờng xả đợc thể hiện bằng đờng liền trên H. 4-4a và H. 4-4b. Nếu xupap xả mở quá sớm (điểm b1s - H. 4-4a), tức là khi mà áp suất trong xylanh vẫn còn khá cao, sẽ có những điểm lợi hại nh sau : - Lãng phí nhiều công dãn nở, - Công tiêu hao cho việc đẩy khí thải trong giai đoạn xả cỡng bức sẽ nhỏ hơn do đã có một phần lớn sản phẩm cháy tự thoát ra ngoài trong hành trình dãn nở. - Lợng khí sót ít hơn. Tuy nhiên, phần công lãng phí vẫn lớn hơn và kết quả là công suất động cơ sẽ giảm nếu mở xupap xả quá sớm. Nếu xupap xả mở quá muộn (điểm b1m - H. 4-4b), tức là khi piston đã đến quá gần ĐCD trong hành trình dãn nở, thì : - Khí thải bắt đầu thoát ra khỏi không gian công tác của xylanh khi áp suất trong đó đã khá thấp, do đó phần công dãn nở bị lãng phí sẽ ít hơn. - Công tiêu hao cho việc đẩy khí thải trong giai đoạn xả cỡng bức lớn hơn, - Lợng khí sót nhiều hơn. Kết quả cuối cùng là hệ số khí sót sẽ lớn hơn và công suất động cơ cũng giảm khi mở xupap xả quá muộn do phần công dãn nở tận dụng đợc không bù đắp nổi phần công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài. 2) Góc xả muộn Xupap xả đợc đóng kín sau khi piston đã rời ĐCT trong hành trình nạp nhằm mục đích giảm lợng khí sót, bởi vì mặc dù tác dụng "đẩy" của piston đã chấm dứt nhng do quán tính của dòng khí thải và chênh lệch áp suất nên một lợng khí thải sẽ bị "hút" ra khỏi xylanh ở những thời điểm đầu của hành trình nạp. Thậm chí một lợng nhất định khí mới cũng đợc hút ra đờng ống xả nếu các góc nạp sớm (ns) và xả muộn (xm) có trị số thích hợp. Hiện tợng này đợc gọi là quét buồng đốt. Giả sử r1 là thời điểm đóng kín xupap xả tối u, đờng áp suất tơng ứng là đờng liền (H. 4-4c). Nếu góc xả muộn quá nhỏ, tức là xupap xả đóng quá sớm (điểm r1s) thì tiết diện lu thông của xupap xả sẽ rất nhỏ tại những thời điểm piston ở gần ĐCT. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 119 Trong điều kiện đó, khí thải không kịp thoát ra ngoài và bị nén lại , rồi sau đó sẽ dãn nở (đờng ) và làm chậm lại quá trình nạp vì khí mới chỉ có thể đi vào xylanh khi áp suất trong đó nhỏ hơn áp suất trớc xupap nạp. Kết quả là hệ số khí sót tăng và hệ số nạp giảm khi góc xả muộn quá nhỏ. Nếu góc xả muộn quá lớn cũng có hậu quả tơng tự nh trờng hợp góc xả muộn quá nhỏ, vì khi đó sẽ có một lợng nhất định khí thải trong ống xả đợc hút ngợc trở lại không gian công tác của xylanh. 3) Góc nạp sớm Xupap nạp đợc mở trớc khi piston tới ĐCT trong hành trình xả nhằm mục đích tăng lợng khí nạp vào xylanh nhờ đảm bảo tiết diện lu thông của xupap nạp đủ lớn ở giai đoạn đầu của hành trình nạp. Giả sử d1 là thời điểm bắt đầu mở xupap nạp tối u và đờng áp suất đợc thể hiện bằng đờng liền trên H. 4-4d. Nếu góc nạp sớm (ns) quá nhỏ, tức là thời điểm bắt đầu mở xupap nạp quá gần ĐCT (điểm d1m), thì tiết diện lu thông của xupap nạp tại những thời điểm piston gần ĐCT sẽ nhỏ, sức cản khí động tăng sẽ làm cho áp suất trong xylanh ở giai đoạn đầu hành trình nạp thấp hơn. Kết quả là lợng khí nạp sẽ giảm và công tiêu hao cho quá trình nạp-xả cũng tăng. Nếu xupap nạp mở quá sớm thì hậu quả cũng tơng tự nh trờng hợp xupap nạp mở quá muộn, vì khi đó một lợng nhất định khí thải sẽ bị đẩy vào đờng ống nạp rồi sau đó quay trở lại không gian công tác của xylanh. 4) Góc nạp muộn Việc mở xupap nạp đợc duy trì một thời gian sau khi piston đã rời ĐCD trong hành trình nén nhằm mục đích tăng lợng khí mới đợc nạp vào xylanh. Bởi vì, mặc dù piston đã bắt đầu đi lên nhng do quán tính của dòng khí nạp và chênh lệch áp suất, một lợng nhất định khí mới vẫn tiếp tục đi vào xylanh ở những thời điểm đầu của hành trình nén. Nếu xupap nạp đóng quá sớm (điểm a1s - H. 4-4e) thì tiết diện lu thông của xupap nạp khi piston ở gần ĐCD sẽ nhỏ. Điều đó làm giảm hiệu quả nạp thêm. Nếu xupap nạp đóng quá muộn thì một phần khí mới sẽ bị đẩy ngợc trở lại đờng ống nạp. Qua phân tích ở trên ta thấy, các góc phối khí có ảnh hởng trực tiếp đến chất lợng quá trình nạp-xả, qua đó ảnh hởng đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của động cơ. Việc lựa chọn hoặc điều chỉnh đúng các góc phối khí sẽ ảnh hởng PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 120 trực tiếp đến công suất và hiệu suất của động cơ. Góc phối khí lớn hay nhỏ tuỳ thuộc trớc hết vào tốc độ quay của động cơ và phơng pháp nạp-xả. Thông thờng, trị số của các góc phối khí đợc lựa chọn bằng con đờng thực nghiệm. Bảng 4-2. Góc phối khí của một số động cơ Động cơ n [rpm] ns [ 0 gqtk]nm [ 0 gqtk]xs [ 0 gqtk] xm [ 0 gqtk]Zill - 130 3200 31 83 67 47 Peugeot 404 5400 0 30,5 35 4,5 Gaz - 21 4000 24 64 58 30 D6 1500 20 48 48 20 D50 740 80 50 50 54 PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 121 4.3. quá trình nạp - xả ở động cơ 2 kỳ 4.3.1. khái niệm chung Động cơ 2 kỳ không dùng piston để "đẩy" khí thải ra ngoài và "hút" khí mới vào xylanh nh ở động cơ 4 kỳ mà khí mới phải đợc nén đến áp suất cao hơn áp suất khí quyển rồi đợc "thổi" vào xylanh để "quét" khí thải ra ngoài, đồng thời nạp đầy không gian công tác của xylanh. H. 4-5 mô tả các đờng đặc tính quét ở động cơ 2 kỳ. Đờng đặc tính quét lí tởng (a) ứng với khả năng quét đợc xây dựng trên cơ sở giả định rằng : khí mới khi vào xylanh không bị trộn lẫn với khí thải mà tạo thành một piston khí đẩy khí thải ra ngoài theo nguyên tắc một đổi một, tức là một thể tích khí mới vào xylanh sẽ đẩy cùng một thể tích khí thải ra ngoài. Đờng đặc tính quét hoà trộn (b) ứng với trờng hợp khí mới đi vào xylanh sẽ hoà trộn đều với khí thải, sau đó cùng khí thải thoát ra ngoài. Phơng án này không có lợi vì để đa hết khí thải ra ngoài, cần phải có lợng khí mới vô cùng lớn. Phơng án quét lí tởng cũng không có tính khả thi vì khí mới đi vào xylanh phải có vận động rối với cờng độ thích hợp để tạo điều kiện cho nhiên liệu hoá hơi và hoà trộn nhanh với không khí . Bởi vậy không thể tránh khỏi tình trạng một phần khí mới trộn lẫn với khí thải. Các đờng đặc tính quét thực tế nằm trong vùng c đợc giới hạn bởi hai đờng đặc tính quét lí tởng (a) và quét hoà trộn (b) nói trên. H. 4-5. Đặc tính quét ở động cơ 2 kỳ bcaVqV[%]80604020[%]V120100806040Vx20 PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 122 4.3.2. các hệ thống quét - xả điển hình Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và phơng hớng chuyển động của dòng khí quét, có thể chia các hệ thống quét-xả ở động cơ 2 kỳ thành 2 nhóm : hệ thống quét vòng và hệ thống quét thẳng. d)c)b) H. 4-6. Sơ đồ các hệ thống quét-xả của động cơ 2 kỳ a) Quét vòng ngang, b) Quét vòng ngợc c) Quét thẳng qua xupap, d) Quét thẳng qua cửa 1) Hệ thống quét vòng ở hệ thống quét vòng, các cửa quét và cửa xả đợc bố trí ở phần dới của xylanh và đợc đóng, mở bằng piston của động cơ. Khí mới đợc thổi vào xylanh qua cửa quét, lúc đầu men theo thành xylanh đi lên phía nắp, tới nắp dòng khí sẽ đổi chiều và đi vòng xuống hớng tới các cửa xả. Dựa theo vị trí các cửa trên chu vi xylanh, ngời ta chia hệ thống quét vòng thành hệ thống quét vòng ngang, hệ thống quét vòng ngợc và hệ thống quét vòng hỗn hợp. Quét vòng ngang (H. 4-6a) - các cửa xả và cửa quét đợc bố trí đối diện nhau trên chu vi của xylanh. Quét vòng ngợc (H. 4-6b) - các cửa xả và cửa quét đợc bố trí ở cùng một bên trên chu vi của xylanh. Quét vòng hỗn hợp là dạng hỗn hợp quét vòng ngang và quét vòng ngợc. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 123 2) Hệ thống quét thẳng Có hai kiểu hệ thống quét thẳng : quét thẳng qua xupap xả và quét thẳng qua cửa xả. Hệ thống quét thẳng qua xupap xả có các xupap xả tơng tự nh ở động cơ 4 kỳ (H. 4-6c), các cửa quét đợc bố trí ở phần dới của xylanh. Hệ thống quét thẳng qua cửa xả (H. 4-6d) có các cửa xả và cửa quét bố trí ở 2 đầu đối diện của xylanh. Quét thẳng là phơng án hoàn thiện nhất đối với động cơ 2 kỳ hiện nay. Do dòng khí quét chỉ vận động theo một chiều nên ít bị hoà trộn với khí thải và xylanh đợc quét tơng đối sạch. Do dễ dàng bố trí các cửa quét trên toàn chu vi của xylanh theo hớng tiếp tuyến nên có thể tạo ra đợc vận động xoáy lốc mạnh của không khí sau khi vào xylanh và làm cho quá trình hình thành hỗn hợp cháy và đốt cháy nhiên liệu tốt hơn. Ngoài ra, sự độc lập của cơ cấu nạp và xả cho phép chọn đợc các góc phối khí tốt nhất. Nhợc điểm cơ bản của hệ thống quét thẳng là có kết cấu phức tạp. Động cơ sử dụng phơng án quét thẳng qua xupap xả phải có thêm xupap xả (từ 1 đến 4 chiếc) và hàng loạt các bộ phận liên quan đến việc điều khiển các xupap đó. Hệ thống quét thẳng qua cửa xả chỉ sử dụng đợc cho loại động cơ piston đối đỉnh (2 piston trong 1 xylanh). Loại động cơ này phải có 2 trục khuỷu hoặc nếu chỉ dùng 1 trục khuỷu thì phải có cơ cấu đồng bộ khá phức tạp. 4.3.3. diễn biến quá trình nạp - xả ở động cơ 2 kỳ Quá trình nạp-xả ở động cơ 2 kỳ có thể chia thành 3 giai đoạn : xả tự do, quét và nạp thêm (hoặc lọt khí). 1) Giai đoạn I - Xả tự do Giai đoạn xả tự do kéo dài từ thời điểm cơ cấu xả bắt đầu mở (điểm b1 - H. 4-7) đến thời điểm khí quét bắt đầu đi vào không gian công tác của xylanh (điểm n - H. 4-7). Tại thời điểm bắt đầu mở cửa quét (điểm d1), áp suất trong xylanh (pd1) thờng cao hơn áp suất khí nạp (pk). Để tránh hiện tợng khí thải lọt vào không gian chứa khí nạp, có thể lắp van một chiều ở cửa nạp, van này sẽ tự động mở khi áp suất trong xylanh giảm xuống thấp hơn áp suất khí nạp. Biện pháp này đợc áp dụng chủ yếu cho động cơ thấp tốc, công suất lớn. 2) Giai đoạn II - Quét Giai đoạn quét ( còn gọi là Giai đoạn xả cỡng bức) bắt đầu từ thời điểm khí quét đi vào không gian công tác của xylanh và kết thúc tại thời điểm một trong hai cơ cấu - nạp hoặc xả - đóng (điểm r1 - H. 4-7 hoặc a1 - H. 4-7) . Trong PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 124 giai đoạn này cả cơ cấu quét và xả đều mở và đồng thời diễn ra hai quá trình có liên quan mật thiết với nhau : khí mới đi vào xylanh và khí thải bị khí mới đẩy ra ngoài. Trong thời gian đầu của giai đoạn quét, mặc dù khí mới đã đi vào xylanh nhng do tác dụng "hút" của dòng khí thải nên áp suất trong xylanh có thể giảm xuống thấp hơn áp suất khí nạp (điểm O - H. 4-7). Tiết diện lu thông của cửa quét tăng lên sẽ làm tăng lu lợng khí quét vào xylanh đồng thời làm áp suất trong xylanh tăng lên và dao động xung quanh trị số áp suất trung bình trong quá trình quét-xả (pN). Trong giai đoạn quét bao giờ cũng có một lợng nhất định khí mới và khí thải hoà trộn với nhau và có thể cùng thoát ra ngoài. Lợng khí mới thoát ra khỏi xylanh nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ hoàn hảo của hệ thống quét-xả và yêu cầu định trớc đối với quá trình nạp-xả. Đối với động cơ diesel, đặc biệt là động cơ tăng áp, ngời ta chủ động cho một phần không khí quét thoát ra ngoài cùng với khí thải nhằm mục đích quét sạch xylanh và làm mát buồng đốt. Ngợc lại, đối với động cơ xăng và động cơ ga 2 kỳ, phải chấp nhận một lợng nhất định khí thải lu lại trong xylanh để tránh tổn thất nhiên liệu qua cửa xả. 3) Giai đoạn III - Lọt khí (hoặc Nạp thêm) Giai đoạn III là Giai đoạn lọt khí nếu cửa quét đóng trớc hoặc là Giai đoạn nạp thêm nếu cơ cấu xả đóng trớc. Chỉ những hệ thống quét-xả có góc phối khí không đối xứng (H. 4-7d và H. 4-8d, e, f) mới có thể thực hiện giai đoạn nạp thêm. Qua tìm hiểu hệ thống và diễn biến quá trình nạp-xả ở động cơ 2 kỳ, có thể rút ra một số nhận xét sau : Toàn bộ quá trình nạp-xả ở động cơ 2 kỳ chỉ diễn ra trong một phần hành trình của piston (120 ữ 150 0 gqtk) xung quanh ĐCD. Khí nạp vào xylanh động cơ 2 kỳ phải có áp suất cao hơn áp suất khí quyển, vì vậy động cơ 2 kỳ phải có máy nén khí. Tuy nhiên, nhìn chung hệ thống nạp-xả của động cơ 2 kỳ có cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ 4 kỳ. Tơng tự nh ở động cơ 4 kỳ, cơ cấu quét-xả của động cơ 2 kỳ phải đảm bảo cho cửa xả hoặc xupap xả mở sớm hơn cửa quét. Yêu cầu này dễ dàng đợc thực hiện đối với hệ thống quét thẳng vì cơ cấu nạp và xả có sự độc lập tơng đối với nhau. Trong trờng hợp hệ thống quét vòng, nếu độ cao mép trên của cửa xả bằng hoặc thấp hơn cửa quét thì phải lắp van một chiều trên cửa quét để ngăn ngừa khí thải lọt vào không gian chứa khí quét. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 125 H. 4-7. Quá trình quét-xả ở động cơ 2 kỳ AnAnAxAxr1ĐCDĐCDb1d1a1r1ĐCDĐCDr1a1d1b1onVb1aa1d1d1a1ab1V PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 126 H. 4-8. Đồ thị Thời gian-Tiết diện của các loại hệ thống quét-xả của động cơ 2 kỳ a1r1AnAr1a1d1AnAxA1a1r1AnA PGS. TS. NguyÔn V¨n NhËn - Lý thuyÕt §C§T - 127